DE102015000852A1 - Freezing start method for a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unter Null offenbart, welche die latente Kristallisationswärme verwenden, welche in einem Wasservorrat zur Verfügung steht, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Während des Hochfahrens wird ein Wassersprüh-Teilsystem verwendet, um Wasser aus dem Vorrat auf eine Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement zu sprühen, durch welches Kühlmittel aus einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel erwärmt wird.Disclosed are methods for ramping up a fuel cell system from below zero temperatures using the latent heat of crystallization available in a water supply maintained above the freezing temperature. During startup, a water spray subsystem is used to spray water from the reservoir onto a heat exchange surface in a heat exchange element through which coolant circulates out of a fuel cell stack coolant loop. The water freezes on the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, heating the coolant.

Description

Hintergrundbackground

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Insbesondere betrifft sie Verfahren zum Hochfahren eines automobilen Brennstoffzellensystems, welches einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel umfasst.The present invention relates to methods of starting up a fuel cell system at sub-freezing temperatures. More particularly, it relates to methods for powering up an automotive fuel cell system that includes a solid polymer electrolyte fuel cell stack.

Beschreibung des verwandten Stands der TechnikDescription of the Related Art

Brennstoffzellen wie Feststoff-Polymer-Elektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch Reaktanden, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen kathodischen und anodischen Elektroden. Eine Struktur, welche einen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten umfasst, welcher zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet ist, wird als eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. In einer typischen Brennstoffzelle sind auf jeder Seite der MEA Strömungsfeldplatten vorgesehen, welche zahlreiche Fluidverteilungskanäle für die Reaktanden umfassen, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen, und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen abzuführen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Brennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben wird. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihen zusammengestapelt, um eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Brennstoffzellenstapel können für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen weiter in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.Fuel cells such as solid polymer electrolyte or proton exchange membrane fuel cells electrochemically convert reactants, namely a fuel (such as hydrogen) and an oxidant (such as oxygen or air) to produce electrical power. Solid polymer electrolyte fuel cells generally use a proton conductive solid polymer membrane electrolyte between cathodic and anodic electrodes. A structure comprising a solid-polymer membrane electrolyte interposed between these two electrodes is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA). In a typical fuel cell, flow field plates are provided on each side of the MEA, which include numerous fluid distribution channels for the reactants to distribute the fuel and oxidant to the respective electrodes, and to remove byproducts of the electrochemical reactions that take place within the fuel cell. Water is the major by-product in a fuel cell operated with hydrogen and air as reactants. Because the output voltage of a single cell is on the order of 1V, for commercial applications, usually a plurality of cells are stacked in rows to provide a higher output voltage. The fuel cell stacks may be further connected in groups of stacks connected together in series and / or parallel for use in automotive applications and the like.

Zusammen mit Wasser ist Wärme ein bedeutendes Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Im Allgemeinen werden daher Mittel zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels benötigt. Stapel, welche dazu ausgelegt sind, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen (zum Beispiel automobile Stapel) zirkulieren typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch den Stapel, um Wärme rasch und effizient abzuführen. Um dies zu erreichen, sind typischerweise auch Kühlmittel-Strömungsfelder, welche zahlreiche Kühlmittelkanäle umfassen, in die Strömungsfeldplatten der Zellen in den Stapeln integriert. Die Kühlmittel-Strömungsfelder können auf den elektrochemisch inaktiven Oberflächen der Strömungsfeldplatten ausgebildet sein und können so das Kühlmittel relativ gleichmäßig innerhalb der Zellen verteilen, wobei sie das Kühlmittel zuverlässig von den Reaktanden getrennt halten.Along with water, heat is a significant by-product of the electrochemical reactions that take place within the fuel cell. In general, therefore, means for cooling a fuel cell stack are needed. Stacks designed to achieve high power density (eg automobile stacks) typically circulate a liquid coolant through the stack to dissipate heat rapidly and efficiently. To accomplish this, typically, coolant flow fields including numerous coolant channels are also integrated into the flow field plates of the cells in the stacks. The coolant flow fields may be formed on the electrochemically inactive surfaces of the flow field plates and so may distribute the coolant relatively evenly within the cells while reliably keeping the coolant separate from the reactants.

Verschiedene Teilsysteme und Verfahren wurden im Stand der Technik für Zwecke der Verbesserung der Kühlleistung in solchen Stapeln offenbart. Zum Beispiel beschreibt die CA2424172 ein Brennstoffzellensystem mit einer Wärmetauscheinheit, welche mit dem Kühlmitteleinlass und Auslass gekoppelt ist. Eine Wassersprüheinheit ist ebenso vorgesehen, um Auslasswasser in Luft zu sprühen, welche durch die Wärmetauscheinheit geblasen wird. Das Auslasswasser wird verdunstet und erhöht die Kühlleistung der Wärmetauscheinheit.Various subsystems and methods have been disclosed in the art for the purposes of improving cooling performance in such stacks. For example, that describes CA2424172 a fuel cell system having a heat exchange unit coupled to the coolant inlet and outlet. A water spray unit is also provided to spray outlet water into air which is blown by the heat exchange unit. The outlet water is evaporated and increases the cooling capacity of the heat exchange unit.

In bestimmten Anwendungen können PEMFC-Stapel wiederholten An-Aus-Arbeitszyklen ausgesetzt sein, welche eine Aufbewahrung für verschiede lange Zeiträume und bei verschiedenen Temperaturen mit sich bringen. Es ist allgemein wünschenswert in der Lage zu sein, solche Stapel innerhalb einer kurzen Zeitspanne hochzufahren. Bestimmte Anwendungen, wie etwa automobile Anwendungen, können ein vergleichsweise rasches und verlässliches Hochfahren aus Aufbewahrungsbedingungen deutlich unterhalb des Gefrierpunkts erfordern. Dies hat eine erhebliche Herausforderung dargestellt, und zwar sowohl wegen der vergleichsweise niedrigen Leistungsfähigkeit der Zellen bei solchen Temperaturen als auch wegen der Probleme, welche mit dem Wasserhaushalt in den Zellen zusammenhängen, wenn diese unter 0°C betrieben werden. Eine gewisse Menge Wasser ist für den ordnungsgemäßen Brennstoffzellenbetrieb erforderlich (zum Beispiel die Hydratisierung des Membranelektrolyten), und sie wird als ein Ergebnis des Bereitstellens elektrischer Leistung erzeugt. Jedoch bildet sich selbstverständlich Eis, wo flüssiges Wasser bei solchen Temperaturen vorhanden ist. Die Anwesenheit von Eis kann in Abhängigkeit davon, wie viel vorhanden ist und an welcher Stelle es sich befindet, problematisch sein, wenn aufbewahrt oder wenn hochgefahren wird.In certain applications, PEMFC stacks may be subjected to repeated on-off duty cycles, which entail storage for various long periods of time and at different temperatures. It is generally desirable to be able to boot up such stacks within a short period of time. Certain applications, such as automotive applications, may require relatively quick and reliable startup from well below freezing storage conditions. This has presented a considerable challenge, both because of the comparatively low efficiency of the cells at such temperatures and because of the problems associated with the water balance in the cells when operating below 0 ° C. A certain amount of water is required for proper fuel cell operation (for example, hydration of the membrane electrolyte) and is generated as a result of providing electrical power. However, ice, of course, forms where liquid water is present at such temperatures. The presence of ice can be problematic when stored or when it is up depending on how much it is and where it is located.

Verschiedene Gestaltungen von Brennstoffzellen und von Verfahren zum Hochfahren von Brennstoffzellen wurden im Stand der Technik entwickelt, um ein verbessertes Hochfahren von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorzusehen. Beispielsweise offenbart die JP2005251463 Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems bei einer niedrigen Temperatur, wobei ein Wärmeerzeugungsmittel verwendet wird, und wobei Wärme aus der Erstarrungswärme von Natriumacetat-Trihydrat erhalten wird. Gefrorenes Wasser in dem Brennstoffzellenstapel wird mit einem geringen Leistungsverbrauch aufgetaut, indem das Wärmeerzeugungsmittel vor dem Hochfahren des Stapels gestartet wird.Various designs of fuel cells and fuel cell power-up processes have been developed in the art to provide improved ramp up of below freezing temperatures. For example, the JP2005251463 A method of starting up a fuel cell system at a low temperature using a heat generating means, and wherein heat obtained from the solidification heat of sodium acetate trihydrate. Frozen water in the fuel cell stack is thawed with a low power consumption by starting the heat generating means before the stack is started up.

Trotz der Fortschritte, welche bislang gemacht wurden, besteht weiterhin ein Bedarf nach einfacheren und effektiveren Verfahren zum Hochfahren von Brennstoffzellensystemen von einer Temperatur unter Null. Die vorliegende Erfindung stellt eine Möglichkeit zum Erfüllen dieser Bedürfnisse dar und liefert weitere verwandte Vorteile.Despite the progress made so far, there continues to be a need for simpler and more effective methods of starting up fuel cell systems from a temperature below zero. The present invention provides a way to meet these needs and provides other related advantages.

ZusammenfassungSummary

Als Teil des Prozesses zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unter Null kann man die latente Kristallisationswärme verwenden, welche in einem Wasservorrat vorhanden ist, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Während des Hochfahrens wird ein Wassersprüh-Teilsystem verwendet, um Wasser aus dem Vorrat auf eine Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement zu sprühen, durch welches Kühlmittel von einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel und folglich der Brennstoffzellenstapel erwärmt werden. In einem automobilen Brennstoffzellensystem kann ein Wasservorrat bescheidener Größe überraschenderweise eine erhebliche Menge der Wärme bereitstellen, welche für Zwecke des Hochfahrens gewünscht ist.As part of the process of starting up a fuel cell system from below zero temperatures, one can use the latent heat of crystallization present in a supply of water maintained above the freezing temperature. During startup, a water spray subsystem is used to spray water from the reservoir onto a heat exchange surface in a heat exchange element through which coolant circulates from a fuel cell stack coolant loop. The water freezes at the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, thereby heating the coolant and hence the fuel cell stack. Surprisingly, in an automotive fuel cell system, a modestly sized water supply can provide a substantial amount of the heat desired for start-up purposes.

In der vorliegenden Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelkreis, welcher dazu ausgebildet ist, Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zu zirkulieren, und ein Wärmetauschelement in dem Kühlmittelkreis, in welchem das Wärmetauschelement eine Wärmetausch-Oberfläche umfasst und Kühlmittel auf einer Seite der Wärmetausch-Oberfläche fließt. Das System umfasst des Weiteren einen Behälter, welcher einen Wasservorrat umfasst, und ein Wassersprüh-Teilsystem, welches dazu ausgebildet ist, Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter zu beziehen und das Wasser auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche zu sprühen. Speziell umfasst dann das Verfahren zum Hochfahren solch eines Brennstoffzellensystems von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts das Halten des Wasservorrats oberhalb der Gefriertemperatur vor dem Hochfahren, das Zirkulieren des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis (und folglich den Brennstoffzellenstapel und das Wärmetauschelement), das Beziehen von Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter und das Sprühen des Wassers auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist. Als ein Ergebnis des Verfahrens friert Wasser an die Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel erwärmt wird.In the present invention, the fuel cell system includes a fuel cell stack, a coolant circuit configured to circulate coolant through the fuel cell stack, and a heat exchange element in the coolant circuit in which the heat exchange element includes a heat exchange surface and coolant on one side of the heat exchange surface flows. The system further comprises a reservoir containing a supply of water and a water spray subsystem adapted to draw water from the water reservoir in the reservoir and to spray the water to the other side of the heat exchange surface. Specifically, then, the method of starting up such a fuel cell system from a temperature below freezing includes maintaining the supply of water above the freezing temperature before startup, circulating the refrigerant through the refrigerant circuit (and thus the fuel cell stack and the heat exchange element), drawing water therefrom Water supply in the container and the spraying of the water to the other side of the heat exchange surface, while the fuel cell system is at a temperature below freezing. As a result of the process, water freezes to the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, thereby heating the coolant.

Während des Hochfahrens kann eine Anfangs-Leistungsmenge aus dem Brennstoffzellenstapel bezogen werden, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist. Alternativ kann das Beziehen der Leistung verschoben werden, bis das System oberhalb des Gefrierpunkts ist, um das Erzeugen von Wasser in dem Stapel aus den elektrochemischen Reaktionen zu verhindern, welche darin stattfinden.During startup, an initial amount of power may be drawn from the fuel cell stack while the fuel cell system is at a temperature below freezing. Alternatively, the referencing of the power may be postponed until the system is above freezing to prevent the generation of water in the stack from the electrochemical reactions taking place therein.

Um den Wasservorrat vor dem Hochfahren oberhalb der Gefriertemperatur zu halten, ist der Wasservorratsbehälter thermisch gut isoliert (zum Beispiel Vakuum ummantelter Behälter). Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem einen elektrischen Heizer umfassen, welcher in thermischem Kontakt mit dem Wasservorrat ist. Wärme von dem elektrischen Heizer kann so verwendet werden, um den Wasservorrat oberhalb des Gefrierpunkts zu halten.In order to keep the water supply above the freezing temperature before start-up, the water reservoir is thermally well insulated (e.g. vacuum jacketed container). Furthermore, the fuel cell system may include an electric heater that is in thermal contact with the water supply. Heat from the electric heater can be used to hold the water supply above freezing.

In einer Ausführungsform wird auch das Wassersprüh-Teilsystem vor dem Hochfahren oberhalb der Gefriertemperatur gehalten. Dies kann ebenso erreicht werden, indem der oben erwähnte elektrische Heizer (oder ein anderer Heizer) verwendet wird, wenn er dazu ausgebildet ist, in ausreichendem thermischem Kontakt mit dem Wassersprüh-Teilsystem zu sein.In one embodiment, the water spray subsystem is also maintained above freezing temperature prior to start-up. This can also be achieved by using the above-mentioned electric heater (or other heater) when it is designed to be in sufficient thermal contact with the water spray subsystem.

In einer alternativen Ausführungsform kann dem Wassersprüh-Teilsystem erlaubt werden, auf dieselbe Temperatur unter Null zu fallen wie der Rest des Brennstoffzellensystems. Hier kann jedoch das Wassersprüh-Teilsystem von Wasser entleert werden, bevor das Brennstoffzellensystem einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt wird. Auf diese Weise ist vor dem Hochfahren kein zu gefrierendes Wasser in dem Wassersprüh-Teilsystem vorhanden.In an alternative embodiment, the water spray subsystem may be allowed to fall to the same temperature below zero as the rest of the fuel cell system. Here, however, the water spray subsystem can be drained of water before the fuel cell system is exposed to a temperature below freezing. In this way, there is no water to be frozen in the Wassersprüh subsystem prior to startup.

Das Wassersprüh-Teilsystem kann eine Wasserpumpe und eine Sprühdüse umfassen. Die Wasserpumpe kann in wünschenswerter Weise selbstansaugend sein, insbesondere in Ausführungsformen, in welchen das Wassersprüh-Teilsystem gelegentlich von Wasser entleert wird.The water spray subsystem may include a water pump and a spray nozzle. The water pump may desirably be self-priming, especially in embodiments in which the water spray subsystem is occasionally drained of water.

Das Verfahren der Erfindung ist im Allgemeinen zur Verwendung in Systemen geeignet, welche Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel umfassen. Zum Beispiel kann das Verfahren für eine Verwendung in einem luftgekühlten Brennstoffzellensystem in Betracht gezogen werden, welches typischerweise einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel einsetzt. In solch einer luftgekühlten Möglichkeit wird typischerweise Umgebungsluft erhalten und sowohl als Oxidationsmittel als auch Kühlmittel verwendet. Wenn das vorliegende Verfahren verwendet wird, kann das Wärmetauschelement hier die Oxidationsmittel/Kühlmitteldurchgänge in dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem sein. Das Verfahren ist jedoch insbesondere geeignet für eine Verwendung in automobilen Brennstoffzellensystemen, in welchen typischerweise wässrige Frostschutz-Flüssigkühlmittel eingesetzt werden.The process of the invention is generally suitable for use in systems containing solid polymer electrolyte Include fuel cell stack. For example, the method may be considered for use in an air cooled fuel cell system, which typically employs a solid polymer electrolyte fuel cell stack. In such an air-cooled mode, ambient air is typically obtained and used as both an oxidant and coolant. Here, when the present method is used, the heat exchange element may be the oxidant / coolant passages in the air-cooled fuel cell system. However, the method is particularly suitable for use in automotive fuel cell systems in which typically aqueous antifreeze liquid refrigerants are used.

In einer automobilen Ausführungsform kann eine ausreichende Menge an latenter Wärme zum Hochfahren von einem Wasservorrat erwartet werden, welcher mehr als oder etwa 0,03 Liter Wasser pro kW Leistungsvermögen von dem Brennstoffzellenstapel umfasst. In bestimmten zweckmäßigen Ausführungsformen kann der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfassen.In an automotive embodiment, a sufficient amount of latent heat may be expected to ramp up from a water reservoir that includes more than or about 0.03 liters of water per kW of power from the fuel cell stack. In certain preferred embodiments, the water supply may comprise less than or about 2 liters of water.

Oft können automobile Brennstoffzellensysteme bereits Elemente in ihrem Kühlmittelkreis umfassen, welche als geeignete Wärmetauschelemente für das vorliegende Verfahren dienen. Solche Elemente können wenige bis gar keine Abänderungen benötigen, um ein geeignetes Sprühwasser-Teilsystem aufzunehmen. Alternativ kann ein Element für Zwecke des vorliegenden Verfahrens in den Kühlmittelkreis eingebracht werden.Often automotive fuel cell systems may already include elements in their coolant circuit which serve as suitable heat exchange elements for the present process. Such elements may require little to no modification to accommodate a suitable spray water subsystem. Alternatively, an element may be incorporated into the coolant loop for purposes of the present method.

Elemente, welche oft in Kühlmittelkreisen auftauchen und welche als Wärmetauschelemente dienen, können umfassen: einen Kontaktbefeuchter, einen Ladeluftkühler und/oder einen Kühler. Typischerweise ist ein Kontaktbefeuchter sowohl in dem Kühlmittelkreis als auch in einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Ein Ladeluftkühler kann in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, welche einen Luftverdichter zum Bereitstellen von verdichteter Luft an einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels umfassen. Der Ladeluftkühler ist zwischen dem Luftverdichter und dem Oxidationsmitteleinlass angeordnet. Ein Kühler ist an einer geeigneten Stelle in dem Kühlmittelkreis angeordnet, um Wärme in die Umgebung abzugeben.Elements which often appear in coolant circuits and which serve as heat exchange elements may include: a contact humidifier, a charge air cooler and / or a radiator. Typically, a contact humidifier is disposed both in the coolant loop and in an oxidant inlet of the fuel cell stack. An intercooler may be employed in fuel cell systems that include an air compressor for providing compressed air at an oxidant inlet of the fuel cell stack. The charge air cooler is disposed between the air compressor and the oxidant inlet. A radiator is disposed at a suitable location in the coolant circuit to release heat to the environment.

Auf gleiche Weise kann das Brennstoffzellensystem Elemente enthalten, welche zum Teil als Wasservorrat, Behälter und/oder Wassersprüh-Teilsystem für das vorliegende Verfahren dienen können. Zum Beispiel kann, wie unten veranschaulicht, ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, welches ein U-förmiges Rohr umfasst, welches mit Wasser gefüllt ist, um eine Niederdruck-Dichtung eines Oxidationsmittelauslasses des Brennstoffzellenstapels des Systems bereitzustellen. Der Wasservorrat, der Behälter und das Sprühwasser-Teilsystem der vorliegenden Erfindung können elegant in solch eine Anordnung integriert werden ohne eine große Abänderung des Brennstoffzellensystems.Likewise, the fuel cell system may include elements that may serve, in part, as a water supply, container, and / or water spray subsystem for the present process. For example, as illustrated below, a fuel cell system may be employed that includes a U-shaped tube filled with water to provide a low pressure seal of an oxidant outlet of the fuel cell stack of the system. The water supply, the container and the spray water subsystem of the present invention can be elegantly integrated into such an arrangement without a large modification of the fuel cell system.

Diese und andere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängte Figur und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.These and other aspects of the invention will be apparent by reference to the attached figure and the following detailed description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften automobilen Brennstoffzellensystems, welches von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts hochgefahren werden kann, indem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird. 1 FIG. 12 is a schematic illustration of an exemplary automotive fuel cell system that can be ramped from below freezing temperature using the method of the present invention.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

In dieser Beschreibung sollen Worte wie „ein” und „umfasst” in einem offenen Sinn aufgefasst werden, und sie sollen in der Bedeutung von wenigstens ein aber nicht beschränkt auf nur ein verstanden werden.In this description, words such as "a" and "comprising" are to be construed in an open sense, and are to be understood as meaning at least one but not limited to only one.

Vorliegend soll in einem quantitativen Kontext der Ausdruck „etwa” als im Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% liegend aufgefasst werden.In the present case, in a quantitative context, the term "about" should be understood as lying in the range of up to plus 10% and up to minus 10%.

Das Verfahren der Erfindung nutzt die latente Kristallisationswärme, welche in einem Wasservorrat zur Verfügung steht, welcher oberhalb einer Gefriertemperatur gehalten wird, um beim Erwärmen und so beim Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu unterstützen. Wasser aus dem Vorrat wird auf eine geeignete Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement oder in Elementen gesprüht, durch welches oder welche Kühlmittel aus einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wodurch das Erwärmen des Kühlmittels erfolgt oder erheblich unterstützt wird und das Brennstoffzellensystems hochgefahren wird.The process of the invention utilizes the latent heat of crystallization available in a supply of water which is maintained above a freezing temperature to aid in heating, and thus at startup, of a fuel cell system from below freezing temperatures. Water from the reservoir is sprayed onto a suitable heat exchange surface in a heat exchange element or elements through which coolant circulates out of a fuel cell stack coolant loop. The water freezes on the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, whereby the heating of the coolant takes place or is greatly assisted and the fuel cell system is started up.

Ein beispielhaftes automobiles Brennstoffzellensystem, welches hochgefahren werden kann, indem das Verfahren der Erfindung verwendet wird, ist schematisch in 1 gezeigt. Wie gezeigt umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel 2, welcher einen Reihenstapel von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen umfasst. Umgebungsluft wird als der Oxidationsmittelvorrat verwendet und wird mittels eines Verdichters 10 verdichtet und einem Oxidationsmitteleinlass 3a des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt. Diese Luft kann als ein Ergebnis des Komprimierens erheblich erwärmt werden, und sie wird zuerst gekühlt, wenn sie so erwärmt wurde, indem sie durch einen Ladeluftkühler 11 (an einem Einlass 11a) geführt wird, und dann wird sie zu einem Kontaktbefeuchter 12 (an einem Einlass 12a) geführt, wo sie befeuchtet wird, bevor sie schließlich dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird. An Sauerstoff verarmte Luft und als Nebenprodukt Wasserdampf und flüssiges Wasser werden von dem Brennstoffzellenstapel 2 an einem Oxidationsmittelauslass 3b abgegeben. Das in 1 gezeigte System setzt ein optionales U-förmiges Rohr 7 ein, welches mit flüssigem Wasser 8 gefüllt ist, um als einfache Niederdruck-Dichtung für den Oxidationsmittelauslass 3b des Stapels zu dienen, wenn der Stapel heruntergefahren und nicht betrieben wird. Über ein Ventil 9 kann Wasser dem U-förmigen Rohr 7 zugeführt oder von diesem abgelassen werden. Nach dem Durchströmen des U-förmigen Rohrs 7 wird das Oxidationsmittelabgas verwendet, um den Verdichter 10 anzutreiben, und es wird dann in die Umgebung abgegeben. (Der Brennstoffvorrat, Einlässe und Auslässe sowie typische Rezirkulationsgerätschaften in dem Brennstoffzellensystem wurden aus Gründen der Einfachheit aus 1 weggelassen.)An exemplary automotive fuel cell system that can be powered up using the method of the invention is shown schematically in FIG 1 shown. As shown, the fuel cell system includes 1 a fuel cell stack 2 which comprises a series stack of solid polymer electrolyte fuel cells. Ambient air is used as the oxidizer supply and is supplied by a compressor 10 compressed and an oxidant inlet 3a of the fuel cell stack 2 fed. This air can be significantly heated as a result of compression, and it is first cooled when so heated by passing through an intercooler 11 (at an inlet 11a ) and then it becomes a contact humidifier 12 (at an inlet 12a ), where it is moistened before finally passing the fuel cell stack 2 is supplied. Oxygen depleted air and by-product water vapor and liquid water are removed from the fuel cell stack 2 at an oxidant outlet 3b issued. This in 1 shown system sets an optional U-shaped tube 7 one, which with liquid water 8th filled as a simple low-pressure seal for the Oxidationsmittelauslass 3b serve the stack when the stack is shut down and not operated. About a valve 9 can water the U-shaped tube 7 supplied or drained from this. After flowing through the U-shaped tube 7 the oxidant offgas is used to drive the compressor 10 drive and it is then released into the environment. (The fuel supply, inlets and outlets as well as typical recirculation equipment in the fuel cell system have been omitted for the sake of simplicity 1 omitted.)

Die Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 2 umfassen (nicht gezeigte) Kühlmittel-Strömungsfelder, welche auf geeignete Weise mit (nicht gezeigten) Kühlmittelsammelleitungen innerhalb des Stapels 2 verbunden sind. Während des normalen Betriebs wird ein zirkulierendes Kühlmittel verwendet, um Wärme abzuführen, welche innerhalb des Stapels erzeugt wird. Beim Starten von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts kann das zirkulierende Kühlmittel genutzt werden, um den Stapel 2 zu erwärmen, wenn das Kühlmittel extern erwärmt wird. Das eingesetzte Kühlmittel ist typischerweise eine wässrige Lösung, welche eine geeignete Frostschutzflüssigkeit (zum Beispiel Ethylenglykol) umfasst, und welche in der Lage ist, die niedrigsten zu erwartenden Umgebungstemperaturen ohne ein Gefrieren auszuhalten.The cells in the fuel cell stack 2 include coolant flow fields (not shown) which suitably communicate with coolant manifolds (not shown) within the stack 2 are connected. During normal operation, circulating coolant is used to dissipate heat generated within the stack. When starting from a temperature below freezing, the circulating coolant can be used to charge the stack 2 to heat when the coolant is externally heated. The coolant used is typically an aqueous solution comprising a suitable antifreeze liquid (for example, ethylene glycol) and capable of withstanding the lowest expected ambient temperatures without freezing.

Das Kühlmittel wird dem Stapel 2 an einem Kühlmitteleinlass 4a zugeführt, innerhalb zirkuliert und dann an einem Kühlmittelauslass 4b abgeführt. Das Kühlmittel zirkuliert außerhalb des Stapels 2 durch einen Kühlmittelkreis 5. Eine Kühlmittelpumpe 21 wird verwendet, um das zirkulierende Kühlmittel zu fördern. Während des normalen Betriebs wird das Kühlmittel, welches innerhalb des Stapels 2 erwärmt wurde, zu einem Kühler 14 geführt, wo an einer Wärmetausch-Oberfläche 6c Wärme in die Umgebung abgeführt wird. Dann wird, wie in 1 gezeigt, das Kühlmittel dem Ladeluftkühler 11 zugeführt, wo es verwendet wird, um die hereinkommende Luft zu kühlen, wenn diese als ein Ergebnis des Verdichtens in dem Verdichter 10 erheblich erwärmt wurde. Die Oberfläche, wo die hereinkommende Luft gekühlt wird, und wo der Wärmeaustausch in dem Ladeluftkühler 11 stattfindet, ist als eine Wärmetausch-Oberfläche 6b gezeigt. Das Kühlmittel wird als nächstes dem Kontaktbefeuchter 12 zugeführt, welcher verwendet wird, um die hereinkommende Luft zu befeuchten, welche von dem Ladeluftkühler 11 kommt. Im Kontaktbefeuchter 12 wird die Befeuchtung bewerkstelligt, indem Wasser oder Wasserdampf direkt in den hereinkommenden Luftstrom und/oder auf eine beheizte Oberfläche gesprüht wird, wo es verdampft. Wie in 1 gezeigt, ist in dem Kühlmittelkreis 5 innerhalb des Kontaktbefeuchters 12 eine Oberfläche 6a bereitgestellt, und sie dient als eine beheizte Oberfläche für Befeuchtungszwecke während des normalen Betriebs und als eine Wärmetausch-Oberfläche 6a während des Hochfahrens in der vorliegenden Erfindung.The coolant is added to the stack 2 at a coolant inlet 4a supplied, circulated within and then at a coolant outlet 4b dissipated. The coolant circulates outside the stack 2 through a coolant circuit 5 , A coolant pump 21 is used to convey the circulating coolant. During normal operation, the coolant that is inside the stack becomes 2 was heated to a cooler 14 led, where at a heat exchange surface 6c Heat is dissipated in the environment. Then, as in 1 shown, the coolant the intercooler 11 where it is used to cool the incoming air, when this occurs as a result of the compression in the compressor 10 was heated considerably. The surface where the incoming air is cooled, and where the heat exchange in the intercooler 11 takes place as a heat exchange surface 6b shown. The coolant is next to the contact humidifier 12 which is used to humidify the incoming air coming from the intercooler 11 comes. In the contact humidifier 12 Humidification is accomplished by spraying water or steam directly into the incoming air stream and / or onto a heated surface where it evaporates. As in 1 is shown in the coolant circuit 5 inside the contact humidifier 12 a surface 6a and serves as a heated surface for humidification purposes during normal operation and as a heat exchange surface 6a during startup in the present invention.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zusätzlich ein Wassersprüh-Teilsystem 20, welches einen thermisch isolierten Behälter 15 (zum Beispiel einen Vakuum ummantelten Behälter) umfasst, welcher einen Wasservorrat 16 enthält, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Eine Sprühleitung 17 ist in dem Behälter 15 angeordnet, um Zugang zu dem Wasservorrat 16 zu haben. Eine selbstansaugende Pumpe 22 ist in der Sprühleitung 17 vorgesehen, um Wasser aus dem Vorrat 16 zu einer Sprühdüse 18 zu pumpen, welche innerhalb des Kontaktbefeuchters 12 angeordnet ist. Wie abgebildet ist die Sprühdüse 18 dazu ausgebildet, Wasser auf die Wärmetausch-Oberfläche 6a für Zwecke des Hochfahrens des Systems 1 gemäß der Erfindung zu sprühen. Jedoch kann Sprühwasser aus der Sprühdüse 18, wenn diese geeignet ausgebildet ist, wie dies schematisch in 1 gezeigt ist, auch als Befeuchtungswasser für den Kontaktbefeuchter 12 während des normalen Betriebs verwendet werden oder zusätzlich zu Befeuchtungswasser, welches mit anderen Mitteln bereitgestellt wird. Zusätzlich ist ein elektrischer Heizer 19 vorgesehen, welcher mit dem Behälter 15 und dem Wasservorrat 16 in thermischem Kontakt ist.The fuel cell system 1 additionally includes a water spray subsystem 20 which is a thermally insulated container 15 (for example, a vacuum-jacketed container) comprising a supply of water 16 contains, which is kept above the freezing temperature. A spray line 17 is in the container 15 arranged to access the water supply 16 to have. A self-priming pump 22 is in the spray line 17 provided to remove water from the supply 16 to a spray nozzle 18 to pump, which within the contact humidifier 12 is arranged. As shown is the spray nozzle 18 designed to apply water to the heat exchange surface 6a for purposes of booting up the system 1 to spray according to the invention. However, spray water from the spray nozzle can 18 if this is suitably designed, as shown schematically in 1 also shown as moistening water for the contact humidifier 12 during normal operation or in addition to dampening water provided by other means. In addition, there is an electric heater 19 provided, which with the container 15 and the water supply 16 in thermal contact.

Während des normalen Betriebs wird der Brennstoffzellenstapel 2 typischerweise bei Temperaturen deutlich über der Umgebung (zum Beispiel 80°C) betrieben. Die Kühlmittelpumpe 21 pumpt die Frostschutzflüssigkeit, so dass diese in dem Kühlmittelkreis 5 zirkuliert und Wärme abführt, welche in dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugt wird. Diese Wärme wird dann von dem Kühlmittel in die Umgebung über den Kühler 14 abgegeben. Das vom Kühler gekühlte Kühlmittel wird dann in dem Ladeluftkühler 11 verwendet, um übermäßige Wärme (sofern diese als ein Ergebnis des Verdichtens vorhanden ist) von dem hereinkommenden Oxidationsmittel Luft abzuführen. Das Kühlmittel, welches den Ladeluftkühler 11 verlässt, tritt dann in den Kontaktbefeuchter 12 ein und wird über die Wärmetausch-Oberfläche 6a geführt. Hier wird das Kühlmittel verwendet, um das Wasser zu erwärmen, welches auf die Wärmetausch-Oberfläche 6a gesprüht wird, so dass es dabei unterstützt, das Wasser zu verdampfen und das hereinkommende Oxidationsmittel Luft zu befeuchten. Nach dem Verlassen des Kontaktbefeuchters 12 wird das Kühlmittel zurück zu dem Brennstoffzellenstapel 2 geführt.During normal operation, the fuel cell stack becomes 2 typically operated at temperatures well above ambient (for example 80 ° C). The coolant pump 21 pumps the antifreeze liquid so that it is in the coolant circuit 5 circulates and dissipates heat, which in the fuel cell stack 2 is produced. This heat is then transferred from the coolant to the environment via the radiator 14 issued. The coolant cooled by the radiator will then be in the intercooler 11 used to remove excess heat (if present as a result of the compression) from the incoming oxidizer air. The coolant, which the intercooler 11 leaves, then enters the contact humidifier 12 one and gets over the heat exchange surface 6a guided. Here, the coolant is used to heat the water which is on the heat exchange surface 6a is sprayed so it helps to vaporize the water and to humidify the incoming oxidant air. After leaving the contact humidifier 12 the coolant is returned to the fuel cell stack 2 guided.

Des Weiteren dient während des normalen Betriebs der Wasservorrat 16 als ein Wasservorrat für die Befeuchtung in dem Kontaktbefeuchter 12. Das flüssige Wasser 8 in dem U-förmigen Rohr 7 sorgt lediglich für einen mäßigen Gegendruck oder eine Einschränkung des Stroms von Oxidationsmittelabgas aus dem Oxidationsmittelauslass 3b.Furthermore, the water supply is used during normal operation 16 as a water supply for humidification in the contact humidifier 12 , The liquid water 8th in the U-shaped tube 7 provides only moderate back pressure or restriction of the stream of oxidant offgas from the oxidant outlet 3b ,

Wenn das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren, aufbewahrt und/oder bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes hochgefahren werden soll, ist die Pumpe 22 typischerweise ausgeschaltet. Jedoch können das flüssige Wasser 8, der Wasservorrat 16 und der Rest des Sprühwasser-Teilsystems 20 so gelassen werden wie sie sind, und der elektrische Heizer 19 braucht nicht eingesetzt zu werden. In dieser Situation stellt das flüssige Wasser 8 in dem U-förmigen Rohr 7 eine Niederdruck-Dichtung für den Oxidationsmittelauslass 3b bereit und verhindert ein Eintreten von Umgebungsluft in den Brennstoffzellenstapel 2.If the fuel cell system 1 shut down, stored and / or ramped up at temperatures above freezing is the pump 22 typically off. However, the liquid water can 8th , the water reserve 16 and the rest of the spray water subsystem 20 be left as they are, and the electric heater 19 does not need to be used. In this situation, the liquid water 8th in the U-shaped tube 7 a low pressure seal for the oxidant outlet 3b ready and prevents entry of ambient air into the fuel cell stack 2 ,

Wenn jedoch erwartet wird, dass das Brennstoffzellensystem 1 Temperaturen unter Null erfährt, wenn es heruntergefahren, aufbewahrt und/oder hochgefahren wird, werden Schritte unternommen, um ein Gefrieren des Wassers in dem U-förmigen Rohr 7 und dem Wassersprüh-Teilsystem 20 vor diesen Ereignissen zu verhindern. Beispielsweise kann, wie in 1 gezeigt, das flüssige Wasser 8 über das Ventil 9 in den Behälter 15 abgelassen werden und so ein Gefrieren von Wasser in dem U-förmigen Rohr 7 verhindern. (Selbstverständlich dient das U-förmige Rohr 7 nun nicht länger dazu, den Oxidationsmittelauslass 3b gegenüber der Umgebung abzudichten. Wenn dies nicht hinnehmbar ist, kann es notwendig sein, andere Mittel einzusetzen, um den Oxidationsmittelauslass 3b abzudichten). Des Weiteren kann Wasser aus der Sprühdüse 18, der selbstansaugenden Pumpe 22 und der Sprühleitung 17 in den Behälter 15 abgelassen werden. Dieses gesamte abgelassene Wasser und der Rest des Wasservorrats 16 werden mittels der Wärme, welche von dem elektrischen Heizer 19 bereitgestellt wird, oberhalb der Gefriertemperatur gehalten. Geeignete (nicht gezeigte) Gerätschaften zum Erfassen und Regeln der Temperatur können verwendet werden, um sicherzustellen dass der Wasservorrat 16 nicht einfriert, ohne dass übermäßig viel elektrische Energie verwendet wird.However, if it is expected that the fuel cell system 1 Temperatures below zero experience when it is shut down, stored and / or powered up, steps are taken to freeze the water in the U-shaped tube 7 and the water spray subsystem 20 to prevent these events. For example, as in 1 shown the liquid water 8th over the valve 9 in the container 15 be drained and so freezing of water in the U-shaped tube 7 prevent. (Of course, the U-shaped tube is used 7 no longer to the oxidizer outlet 3b seal against the environment. If this is unacceptable, it may be necessary to use other means to remove the oxidizer outlet 3b seal). Furthermore, water may leak from the spray nozzle 18 , the self-priming pump 22 and the spray line 17 in the container 15 be drained. All this drained water and the rest of the water supply 16 be by means of the heat, which from the electric heater 19 is kept above the freezing temperature. Suitable equipment (not shown) for sensing and controlling the temperature may be used to ensure that the water supply 16 does not freeze without using excessive electrical energy.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform dient der Kühlmittelbefeuchter 12 als das Wärmetauschelement für Zwecke der Erfindung. Während des Hochfahrens von einer Temperatur unter Null wird die Kühlmittelpumpe 21 gestartet, und das Kühlmittel wird erneut durch den Kühlmittelkreis 5 und so durch den Brennstoffzellenstapel 2 zirkuliert. Das Kühlmittel fließt auch auf einer Seite der Wärmetausch-Oberfläche 6a in dem Kontaktbefeuchter 12. Die selbstansaugende Pumpe 22 wird ebenso gestartet, und Wasser oberhalb der Gefriertemperatur wird aus dem Flüssigwasservorrat 16 gepumpt und aus der Sprühdüse 18 auf die Wärmetausch-Oberfläche 6a gesprüht. Das versprühte Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche 6a an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel ausgetauscht, wobei sie es erwärmt. Das erwärmte Kühlmittel wird dann wiederum dem Kühlmitteleinlass 4a zugeführt, wo es nun den Brennstoffzellenstapel 2 erwärmt.In the in 1 In the embodiment shown, the coolant humidifier is used 12 as the heat exchange element for purposes of the invention. During startup from a temperature below zero, the coolant pump becomes 21 started, and the coolant is again through the coolant circuit 5 and so through the fuel cell stack 2 circulated. The coolant also flows on one side of the heat exchange surface 6a in the contact humidifier 12 , The self-priming pump 22 is also started, and water above the freezing temperature becomes out of the liquid water supply 16 pumped and out of the spray nozzle 18 on the heat exchange surface 6a sprayed. The sprayed water freezes on the heat exchange surface 6a and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant while heating it. The heated coolant then becomes the coolant inlet 4a where it is now the fuel cell stack 2 heated.

Das Verfahren wird dann fortgesetzt, bis das Kühlmittel und der Brennstoffzellenstapel 2 beinahe Null Grad erreicht haben, wobei anschließend beispielsweise Wärme vom Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 den Rest des Systems oberhalb des Gefrierpunktes und auf normale Betriebstemperatur bringen kann. So kann eine Anfangs-Leistungsmenge aus dem Brennstoffzellenstapel 2 bezogen werden, während das System gerade unterhalb des Gefrierpunkts ist.The process then continues until the coolant and fuel cell stack 2 have reached almost zero degrees, followed by, for example, heat from the operation of the fuel cell stack 2 bring the rest of the system above freezing and to normal operating temperature. Thus, an initial amount of power from the fuel cell stack 2 while the system is just below freezing.

Obwohl 1 und die vorstehende Beschreibung eine mögliche Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, wird der Fachmann feststellen, dass andere Systemanordnungen und/oder andere Vorgehensweisen des Hochfahrens in Betracht gezogen werden können. Beispielsweise kann das Wärmetauschelement, welches während des Hochfahrens verwendet wird, der Ladeluftkühler 11, der Kühler 14 oder ein zusätzliches bestimmtes Element in dem System sein oder zusätzlich umfassen. In solch einem Fall wäre das Wassersprüh-Teilsystem 20 dazu ausgebildet, Wasser auf die Oberflächen 6b, 6c und/oder auf eine geeignete Oberfläche in dem (nicht gezeigten) zusätzlichen bestimmten Element zu sprühen. Des Weiteren braucht das optionale U-förmige Rohr 7 nicht eingesetzt zu werden. Darüber hinaus kann der elektrische Heizer 19 oder ein zusätzlicher elektrischer Heizer dazu ausgebildet sein, auch den Rest des Wassersprüh-Teilsystems 20 zu erwärmen, so dass das Wasser nicht aus diesem abgelassen zu werden braucht, und auch die Verwendung einer Pumpe 22 vorzusehen, welche nicht selbstansaugend ist. Und noch darüber hinaus kann zusätzliche Wärme für Zwecke des Hochfahrens über andere Mittel erhalten werden, welche dem Fachmann bekannt sind. So braucht zum Beispiel Leistung nicht aus dem Brennstoffzellenstapel 2 bezogen zu werden, bis dieser eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts erreicht hat.Even though 1 and the foregoing description illustrates one possible embodiment of the invention, those skilled in the art will recognize that other system arrangements and / or other startup procedures may be considered. For example, the heat exchange element used during startup may be the intercooler 11 , the cooler 14 or an additional particular element in the system or additionally. In such a case would be the water spray subsystem 20 designed to water on the surfaces 6b . 6c and / or to spray onto a suitable surface in the additional particular element (not shown). Furthermore, the optional U-shaped tube needs 7 not to be used. In addition, the electric heater 19 or an additional electrical heater to be designed, including the rest of the water spray subsystem 20 to heat, so that the water does not need to be drained from this, and also the use of a pump 22 which is not self-priming. And even moreover, additional heat may be obtained for purposes of power-up by other means, which is the Are known in the art. For example, power does not need to come from the fuel cell stack 2 until it has reached a temperature above freezing.

Vielleicht überraschenderweise zeigen Berechnungen, dass erwartet werden kann, dass eine bescheidene Menge an Wasser eine ausreichende Menge an latenter Wärme für das Hochfahren eines typischen automobilen Brennstoffzellenstapels bereitstellt. Zum Beispiel kann ein Wasservorrat, welcher mehr als oder etwa 0,03 Liter pro kW des Leistungsvermögens von dem Brennstoffzellenstapel umfasst und oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird, eine ausreichende Menge an latenter Wärme haben. In bestimmten zweckmäßigen Ausführungsformen kann daher der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfassen.Perhaps surprisingly, calculations indicate that a modest amount of water can be expected to provide a sufficient amount of latent heat to power up a typical automotive fuel cell stack. For example, a supply of water containing more than or about 0.03 liters per kW of the capacity of the fuel cell stack and maintained above the freezing temperature may have a sufficient amount of latent heat. In certain preferred embodiments, therefore, the water supply may comprise less than or about 2 liters of water.

Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.All of the above US patents, publications of US patent applications, US patent applications, foreign patents, foreign patent applications, and non-patent literature referenced in this specification are hereby incorporated by reference in their entirety.

Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Zum Beispiel ist es möglich, obwohl die vorstehende Beschreibung hauptsächlich auf flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellensysteme gerichtet war, die offenbarten Verfahren für luftgekühlte oder andere Brennstoffzellensysteme ebenso in Betracht zu ziehen. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.Although particular elements, embodiments and applications of the present invention have been shown and described, it is to be understood that the invention is not limited thereto, as modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present disclosure, particularly in light of the art preceding teachings. For example, although the above description has been directed primarily to liquid cooled fuel cell systems, it is possible to contemplate the disclosed methods for air cooled or other fuel cell systems as well. Such modifications are to be considered within the scope and scope of the following claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • CA 2424172 [0004] CA 2424172 [0004]
  • JP 2005251463 [0006] JP 2005251463 [0006]

Claims (17)

Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelkreis, welcher dazu ausgebildet ist, ein Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zu zirkulieren, ein Wärmetauschelement in dem Kühlmittelkreis, wobei das Wärmetauschelement eine Wärmetausch-Oberfläche umfasst und Kühlmittel auf einer Seite der Wärmetausch-Oberfläche fließt, einen Behälter, welcher einen Wasservorrat umfasst, ein Wassersprüh-Teilsystem, welches dazu ausgebildet ist, Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter zu beziehen und das Wasser auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche zu sprühen, wobei das Verfahren umfasst: Halten des Wasservorrats oberhalb der Gefriertemperatur vor dem Hochfahren; Zirkulieren des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis, den Brennstoffzellenstapel und das Wärmetauschelement; Beziehen von Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter; und Sprühen des Wassers auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist.A method of powering up a fuel cell system from a temperature below freezing, the fuel cell system comprising: a fuel cell stack, a coolant circuit configured to circulate a coolant through the fuel cell stack, a heat exchange element in the coolant loop, the heat exchange element comprising a heat exchange surface and coolant flows on one side of the heat exchange surface, a reservoir containing a water supply, a water spray subsystem adapted to draw water from the water reservoir in the reservoir, and to supply the water to the other side of the heat exchange surface spraying, the method comprising: Keeping the water supply above the freezing temperature before start-up; Circulating the coolant through the coolant circuit, the fuel cell stack, and the heat exchange element; Obtaining water from the water supply in the container; and Spraying the water to the other side of the heat exchange surface while the fuel cell system is at a temperature below freezing. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasser an der Wärmetausch-Oberfläche anfriert und die Kristallisationswärme mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht wird, wobei das Kühlmittel erwärmt wird.The method of claim 1, wherein the water freezes on the heat exchange surface and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, wherein the coolant is heated. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: Beziehen einer Anfangs-Leistungsmenge aus dem Brennstoffzellenstapel während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist.The method of claim 1 comprising: Obtaining an initial amount of power from the fuel cell stack while the fuel cell system is at a temperature below freezing. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem einen elektrischen Heizer umfasst, welcher in thermischem Kontakt mit dem Wasservorrat ist, und wobei das Verfahren das Halten des Wasservorrats oberhalb der Gefriertemperatur umfasst, indem Wärme von dem elektrischen Heizer vor dem Hochfahren verwendet wird.The method of claim 1, wherein the fuel cell system comprises an electric heater that is in thermal contact with the water supply, and wherein the method comprises maintaining the water supply above the freezing temperature by using heat from the electric heater prior to startup. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: Halten des Wassersprüh-Teilsystems oberhalb der Gefriertemperatur vor dem Hochfahren.The method of claim 1 comprising: Keep the water spray subsystem above the freezing temperature before startup. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: Entleeren von Wasser aus dem Wassersprüh-Teilsystem, bevor das Brennstoffzellensystem einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt wird.The method of claim 1 comprising: Discharge water from the water spray subsystem before exposing the fuel cell system to a temperature below freezing. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wassersprüh-Teilsystem eine Wasserpumpe und eine Sprühdüse umfasst.The method of claim 1, wherein the water spray subsystem comprises a water pump and a spray nozzle. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wasserpumpe selbstansaugend ist.The method of claim 7, wherein the water pump is self-priming. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wasservorrat mehr als oder etwa 0,03 Liter Wasser pro kW Leistungsvermögen von dem Brennstoffzellenstapel umfasst.The method of claim 1, wherein the water supply comprises more than or about 0.03 liters of water per kW of power from the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfasst.The method of claim 1, wherein the water supply comprises less than or about 2 liters of water. Verfahren des Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel ist.The method of the fuel cell system of claim 1, wherein the fuel cell stack is a solid polymer electrolyte fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Brennstoffzellensystem ein automobiles Brennstoffzellensystem ist.The method of claim 11, wherein the fuel cell system is an automotive fuel cell system. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Wärmetauschelement ein Kontaktbefeuchter ist, welcher sowohl in dem Kühlmittelkreis als auch in einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.The method of claim 12, wherein the heat exchange element is a contact humidifier, which is arranged both in the coolant circuit and in an oxidant inlet of the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Brennstoffzellensystem einen Luftverdichter zum Bereitstellen von verdichteter Luft an einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels umfasst, und wobei das Wärmetauschelement ein Ladeluftkühler ist, welcher zwischen dem Luftverdichter und dem Oxidationsmitteleinlass angeordnet ist.The method of claim 12, wherein the fuel cell system comprises an air compressor for providing compressed air at an oxidant inlet of the fuel cell stack, and wherein the heat exchange element is a charge air cooler disposed between the air compressor and the oxidant inlet. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Wärmetauschelement ein Kühler ist, welcher in dem Kühlmittelkreis des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.The method of claim 12, wherein the heat exchange element is a radiator, which is arranged in the coolant circuit of the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittel eine Frostschutzflüssigkeit ist.The method of claim 1, wherein the coolant is an antifreeze liquid. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter thermisch isoliert ist.The method of claim 1, wherein the container is thermally insulated.
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